David Reid

Si el convertidor CC/CC debe ser económico y producirse en pequeñas cantidades, constrúyalo utilizando enfoques estándar y las soluciones son imposibles. Los interruptores integrados producidos por empresas o, en el caso típico, no están diseñados para una configuración con salidas aisladas y requieren el uso de transformadores costosos que, además, son difíciles de comprar en pequeñas cantidades. Además, para proporcionar retroalimentación, los circuitos de conmutación integrados suelen requerir optoaisladores y los correspondientes chips de control.

Un circuito alternativo que utiliza componentes discretos es capaz de entregar hasta 50 mA de corriente a 5 V. El voltaje de entrada del circuito es de 8 a 32 V. Para eliminar la necesidad de componentes de retroalimentación, la etapa de salida está diseñada como un circuito fuente. corriente continua. Puede utilizar un regulador paralelo como el TL431, o incluso un simple diodo zener.

Dado que el voltaje de salida es menor que el voltaje mínimo de entrada, se puede utilizar un transformador simple 1:1 como transformador de aislamiento. Cualquier transformador de pulso servirá propósito general. Estos transformadores, con un precio de alrededor de 0,25 dólares, tienen una baja capacitancia entre devanados y un excelente aislamiento entre los devanados.

Un convertidor CC/CC requiere un generador de voltaje en forma de diente de sierra y un comparador que controla una potente cascada. La retroalimentación sobre la corriente de carga se obtiene de una resistencia conectada en serie con el devanado primario del transformador. El generador de voltaje de rampa es fácil de fabricar usando un amplificador operacional con algunas resistencias y un capacitor, pero para ahorrar componentes, el amplificador operacional se reemplaza por la segunda mitad de un comparador dual LM393. El circuito funciona muy bien con voltaje de rampa simétrico, por lo que no se necesitan diodos de protección. Para reducir la probabilidad de saturación del transformador T1, el ciclo de trabajo máximo del generador de voltaje de rampa se establece en aproximadamente 50%.

Para minimizar las pérdidas de control debido a la retirada de corriente por parte del transformador con comentario En términos de corriente, el generador de voltaje de rampa debe funcionar a una frecuencia de aproximadamente 400 kHz y una amplitud de aproximadamente 0,5 V. Los valores exactos de frecuencia y amplitud dependen del voltaje de referencia. En el circuito, la fuente de voltaje de referencia se realiza mediante un LED rojo normal, cuya caída de voltaje directo es bastante estable en condiciones ambientales.

La corriente de salida del comparador PWM no es suficiente para Control directo transformador. Por lo tanto, conectado a su salida de colector abierto transistor pnp Q1 y la resistencia R12, formando una potente etapa de salida. Además, la cascada actúa como limitador de sobretensiones. Cuando, durante un transitorio, el aumento de voltaje excede el voltaje de ruptura del comparador, el transistor se abre y corta el aumento.

A pesar del diseño completamente poco convencional, el circuito funciona muy bien y el modelo Spice coincide con los resultados obtenidos en la placa de pruebas. Y, lo más importante, el plan es extremadamente económico. El costo total de todos los componentes, incluido el transformador, cuando se compran en lotes de varios cientos de piezas, no supera los 0,60 dólares.

Convertidor CC/CC aislado o no aislado: ¿cuál elegir?

¿Qué es preferible desarrollar, fabricar o comprar un dispositivo listo para usar, configurado y probado, con todos los certificados y garantías necesarios en relación con conjuntos y componentes de equipos electrónicos (REA)? Este tema se ha planteado repetidamente en las páginas de diversas publicaciones, incluidas las revistas de la redacción de "Componentes y Tecnologías". Aplicado a DC/CORRIENTE CONTINUA-Convertidores, este dilema fue considerado por el autor de este artículo en. Estos son los beneficios de la opción “comprar” para gran número Las aplicaciones de uso final que utilizan fuentes de alimentación conmutadas se han justificado de forma convincente. Sin embargo, la pregunta quedó “por la borda”: si compras, ¿qué es exactamente? Este artículo intentará llenar este vacío.

Pesando todo de nuevo Proycontra con respecto al convertidor DC/DC y, como dicen, después de considerar los argumentos de las partes, llegamos a una conclusión clara: es más rentable comprarlo. Y para comprar exactamente lo que necesitamos y no equivocarnos, primero debemos estar interesados ​​​​en una determinada gama de cuestiones más importantes, la mayoría de las cuales se analizan con gran detalle en.

Aunque no hay detalles aquí, reduzcamos el problema de elegir un convertidor CC/CC a algunos puntos claros. Entonces, lo que debemos considerar:

1. el propósito del producto para el cual elegimos un convertidor CC/CC y una lista de estándares de seguridad asociados, compatibilidad electromagnética y cumplimiento de los requisitos de protección ambiental;
2. rango temperaturas de funcionamiento;
3. rango de voltaje de entrada requerido;
4. rango de carga actual;
5. El voltaje nominal de salida (voltajes) requerido en todo el rango de carga y la precisión aceptable de su mantenimiento, sin olvidar tener en cuenta la respuesta a los cambios de carga (el llamado reinicio/sobretensión), que, debido a la las peculiaridades del lazo de control de un tipo particular de convertidor, pueden provocar un proceso transitorio inaceptable para nuestro producto final;
6. área aceptable para la colocación del convertidor para nuestra solución final y altura máxima perfil, teniendo en cuenta todos los elementos necesarios para su implementación final, es decir considerar la solución como un dispositivo completo;
7. nivel aceptable de eficiencia en todo el rango de carga;
8. fiabilidad de la solución final del convertidor CC/CC en condiciones reales operación;
9. precio límite de la solución final del convertidor CC/CC y determinación de su proveedor.

Arroz. 1. Ejemplo de topología de un convertidor CC/CC no aislado con dos tensiones de salida

Aunque hoy en día el mercado ofrece convertidores DC/DC, como suele decirse, para todos los gustos, colores y presupuestos, para empezar todo se reduce a la pregunta principal: ¿compramos un convertidor DC/DC aislado o no? Para entender claramente lo que estamos hablando acerca de Expliquemos brevemente: un convertidor aislado significa que su salida y entrada no tienen conexión galvánica y están separadas por una barrera aislante con una determinada rigidez dieléctrica. Este parámetro indica la resistencia de la barrera aislante a la tensión aplicada entre su entrada y salida y, en la mayoría de los casos, determina el posible campo de aplicación del dispositivo. Por tanto, un convertidor no aislado no proporciona aislamiento galvánico entre su entrada y su salida, y este hecho también es decisivo para sus aplicaciones. Todo lo anterior son diferencias globales que determinan las soluciones de diseño de circuitos. Características electricas e incluso el diseño de los convertidores.

Está claro que todo esto repercute en el coste de este tipo de convertidores DC/DC. El desarrollador responsable aquí necesita usar uno regla útil. A Benjamín Franklin le gustaba repetirlo: el gran político estadounidense, cuyo retrato adorna el billete de 100 dólares, diplomático, enciclopedista, escritor, periodista, editor e inventor. Como referencia: fue él quien introdujo la designación ahora generalmente aceptada para los estados de carga eléctrica "+" y "-" y explicó el principio de funcionamiento de la jarra de Leyden, el antepasado de todos los condensadores modernos, estableciendo que Rol principal En él juega un dieléctrico que separa sus placas conductoras. Él dijo: Un centavo ahorrado es un centavo ganado (« Un centavo guardado es un centavo ganado"), que describe muy bien su actitud para optimizar el coste del producto final.

Echemos un vistazo más de cerca desde esta posición a las diferencias entre los convertidores (que nos ayudarán más adelante), sopesando todo nuevamente. Proycontra Y centrémonos en la solución de conversión específica que necesitamos para un dispositivo final específico. Es decir, intentemos alejarnos de la típica tentación de los desarrolladores del tipo: “¡pongamos esto aquí, me gusta!” Suena como un argumento convincente, ¿no?

Si nos fijamos en el aspecto del precio, entonces en términos generales Los convertidores no aislados se benefician debido a su naturaleza. Sin embargo, esto no se aplica a soluciones completas empaquetadas con filtros de entrada y salida que cumplen con estrictos requisitos EMC y tienen una alta estabilidad mecánica. Aquí las diferencias de precios se nivelan en gran medida. En cuanto a la topología de los convertidores no aislados, tenemos disponibles topologías boost, buck, boost-buck e inversión, que ya se han convertido en clásicos y han sido descritas muchas veces. Con alguna modificación, utilizando un transformador, podemos obtener, a partir de convertidores no aislados, soluciones con varias tensiones de salida, normalmente dos, y una de estas tensiones quedará aislada, lo que da como resultado linea completa ventajas inherentes a sus homólogos aislados. Un ejemplo de una solución de este tipo, que no se encuentra a menudo en la literatura técnica ni en la práctica, se muestra en la Fig. 1 .

Esta topología es eficaz, pero para corrientes relativamente pequeñas en el circuito adicional. El autor del artículo lo utilizó en la práctica para generar dos voltajes de 3,3 V (3,5 A) y –12 V (0,250 mA) y lo utilizó como parte del sistema de alimentación ATX de una placa de computadora industrial. Todo esto está muy bien, pero no es una solución completa que pueda adquirirse en forma modular. Por su cuenta, como determinamos al principio del artículo, hacer algo transformador no es rentable: es costoso, requiere mucho tiempo y el resultado no está garantizado, y es necesario contratar especialistas en este tema, lo cual no hacemos. tener. Vale la pena señalar que, por regla general, solo están disponibles las opciones más simples en forma de convertidores no aislados, algunos de los cuales están destinados a reemplazar eficazmente los estabilizadores lineales.

Arroz. 2. Ejemplos de conversión de polaridad utilizando un convertidor CC/CC aislado

En cuanto a los convertidores no aislados, son aceptables y justificados para la construcción de sistemas de energía distribuida PoL (Point-of-Load), es decir, cuando es necesario alimentar cargas en las inmediaciones de su ubicación, con tramos cortos de potencia intermedia. autobuses. Otra opción es la formación de buses de potencia para placas de factores de forma pequeños, donde es posible prescindir de compartir terreno y, preferiblemente, no existen soluciones híbridas, es decir, donde no existe una combinación de etapas analógicas y digitales.

¿Qué nos pueden aportar los convertidores DC/DC aislados? Para un desarrollador común y corriente que no profundiza realmente en la esencia de una “pequeña cosa” como un convertidor CC/CC (que luego puede volver en su contra en la etapa final del proyecto), especialmente en un diseño modular, esto es una “caja negra” con conclusiones que simplemente no la función deseada, como el mismo condensador o transistor. Su función principal es crear una barrera aislante adecuada y voltaje de salida. potencia requerida. Sin embargo, no todo es tan sencillo y obvio. De hecho, si el problema reside únicamente en la barrera aislante, como lo demuestra, por ejemplo, el uso de productos de la conocida empresa TRACO Electronic en Equipo medico en, o en el caso de que, debido a una distancia significativa de la fuente de energía principal, se requiera la división de la tierra, entonces no hay otra opción y todo está claro. Una cuestión más compleja se refiere, por ejemplo, a los equipos de telecomunicaciones y a los sistemas de energía distribuida con largos buses intermedios, así como a los equipos con cascadas polarizadas.

¿Qué nos pueden ofrecer los convertidores DC/DC aislados? Como dijo Sergei Kapitsa en el fascinante programa de nuestra juventud "Obvio-Increíble": "La pregunta, por supuesto, es interesante". Para revelarlo, recurramos a ejemplos prácticos dada en . El caso es que los convertidores aislados pueden, en algunos casos, sustituir con éxito a los no aislados, lo que nos aporta una serie de ventajas, a menudo muy importantes, que simplificarán el diseño del producto final.

Porque un convertidor DC/DC aislado tiene una salida flotante ya que no está conectado al cable común o, como solemos decir, a tierra. Del mismo modo, podemos suponer que también se produce una entrada flotante. Por lo tanto, se puede utilizar cualquier convertidor CC/CC aislado para invertir la polaridad del voltaje del bus de alimentación. Si no se requiere aislamiento galvánico mediante aislamiento, pero está disponible punto común conexión, entonces cualquier salida se puede vincular a cualquier entrada, así como a cualquier voltaje de referencia deseado. En la Fig. La Figura 2 muestra dos configuraciones posibles para conmutar un convertidor CC/CC aislado para producir un voltaje de salida negativo a partir de un voltaje positivo en su entrada, y viceversa. Y si puede obtener –15 V a partir de +5 V con un convertidor CC/CC no aislado, entonces obtener +5 V a partir de –48 V ya no es tan fácil.

Arroz. 3. Duplicador de voltaje simple

Hay aplicaciones CC/CC donde no se requiere aislamiento galvánico mediante aislamiento, pero se requiere un voltaje de salida más alto que el voltaje de entrada. EN siguiente ejemplo mostrado en la Fig. 3 muestra un duplicador de voltaje basado en un convertidor CC/CC que produce un voltaje de salida que es el doble del voltaje de entrada.

Las ventajas aquí se esconden en un hecho aparentemente extraño: si un convertidor CC/CC está diseñado para una potencia de 15 W, con una tensión de salida de 12 V proporcionará una corriente de funcionamiento de hasta 1,25 A. Sin embargo, esto El voltaje de salida está por encima del voltaje de entrada de 12 V. Por lo tanto, la carga se alimenta con un voltaje de 24 V con una corriente de 1,25 A, es decir, tenemos una potencia total de 30 W.

Como es sabido, la ventaja de los convertidores reductores CC/CC pulsados ​​sobre los lineales es que consumen menos corriente en la entrada que la que suministran a la carga. Si necesitamos implementar buses internos a partir del bus intermedio de la forma más sencilla posible y con buena eficiencia y el inevitable desacoplamiento entre las tierras, entonces es mejor que lo que se muestra en la Fig. Es difícil encontrar 4 opciones.

Arroz. 4. Fuente de alimentación con tres voltajes de salida, mediante convertidores DC/DC (¡Atención! ¡La figura ha sido modificada para adaptarse a la base TRACO!)

Y para concluir, he aquí otro ejemplo importante y útil. Si tiene una "mezcolanza" de etapas analógicas y digitales en la placa, que, además, tienen un bus de alimentación común de 5 V y tierra (es decir, a primera vista, esto no se puede separar), entonces los circuitos integrados analógicos pueden experimentar problemas. causado por niveles significativos de interferencia de alta frecuencia de circuitos que transportan señales digitales. Esto es especialmente notable en aplicaciones de medición, audio o vídeo. En cuanto a una tierra común, a menudo se requiere cuando las partes analógicas y digitales del circuito comparten la misma fuente de señal común. Esto a menudo imposibilita su completa separación galvánica.

En la Fig. La Figura 5 muestra un circuito aparentemente sin sentido que convierte un voltaje de entrada de 5 V en un voltaje de salida igual a los mismos 5 V, y por alguna razón esto se hace mediante un convertidor aislado en una conexión no aislada. La razón por la que este circuito realmente tiene sentido es por las características y especificaciones de dichos convertidores CC/CC. Y ella ayuda a resolver el problema.

Arroz. 5. Convertidor de CC de +5 V a +5 V no aislado para limpiar el bus de +5 V

La esencia de la solución es que el rango de voltaje de entrada del convertidor es de +5 V con un cierto nivel de desigualdad debido a fluctuaciones e interferencias, y su voltaje de salida se mantiene en 5 V ±0,8%, por lo que dicho convertidor eliminará no solo el ruido y interferencias, pero también cualquier pequeña variación de voltaje a través de su entrada, suprimiendo sobretensiones y transitorios que inevitablemente ocurren en las etapas digitales.

El autor utilizó un esquema similar (Fig. 5) en uno de los productos en serie. proposito especial, en el que en una placa de circuito impreso extremadamente compacta se encontraban un microcontrolador con etapas digitales, un amplificador de alta sensibilidad y filtros analógicos de alto orden. La solución ha demostrado una eficiencia muy alta cuando se trabaja con señales a un nivel de una fracción de milivoltio.

Arroz. 6. radiografía un fragmento de un estabilizador de conmutación de una marca conocida (imagen de la izquierda) y una réplica de este producto realizada por su competidor (imagen de la derecha)

Y finalmente, si utilizamos la separación de aislamiento, por ejemplo, en el nivel de requisitos para equipos de telecomunicaciones, ¿vale la pena buscar y utilizar convertidores CC/CC con una resistencia de barrera de aislamiento muy alta? Si no te faltan fondos y el cliente acepta tranquilamente tu fantasía, entonces tienes derecho, incluso puedes pedir un convertidor con incrustaciones y, créeme, lo fabricarán y te lo entregarán. Sólo un desarrollador responsable debería seguir utilizando la regla de Benjamin Franklin.

Como se mencionó al principio del artículo, a los desarrolladores se les ofrece una variedad de convertidores CC/CC de una gran cantidad de fabricantes. Aquí hay que recordar que el tacaño paga dos veces y, para productos importantes, no se deje engañar por ofertas dudosas con precios bajos. Si cree que un mismo nombre esconde la misma solución, está profundamente equivocado. Una réplica de una marca famosa sólo puede tener lo mismo. apariencia y título. Un claro ejemplo se muestra en la Fig. 6.

Arroz. 7. Convertidores CC/CC aislados de 8 W TEL Serie 8 de TRACO Electronic

Como pudimos comprobar, los convertidores DC/DC con mismos nombres, pueden tener diseños completamente diferentes. Es por eso que al comienzo del artículo entre cuestiones críticas Se mencionó la búsqueda de un proveedor confiable. Por lo tanto, es mejor y más seguro tratar con marcas conocidas, entonces podrá obtener con confianza por su dinero exactamente el producto que cumplirá con todos sus requisitos y no tendrá que sonrojarse ni frente al cliente del proyecto ni frente a el consumidor final del producto que desarrolló.

Una de estas marcas probadas es la empresa TRACO Electronic, que en diciembre de 2016 lanzó una línea de convertidores de telecomunicaciones de alta calidad TEL 8 con una potencia de 8 W, que se fabrican bajo la marca (Fig. 7).

Estos convertidores se distinguen no sólo por su alta características técnicas y pequeñas dimensiones, pero también una alta fiabilidad (al menos 1 millón de horas), rigidez dieléctrica del aislamiento (1800 V/1 s y 1500 V/60 s), alta precisión ajuste del voltaje de salida nominal (±2%) y su estabilidad (0,8% al cambiar el voltaje de entrada en todo el rango y 1% en todo el rango de carga, de cero al máximo), desarrolló protección contra sobrecarga (150%) con auto- curación (hipo), tensión de entrada inaceptablemente baja y electrostática al nivel de los requisitos de la norma EN 61000-4-2 (aire ±8 kV, contacto ±6 kV). Los convertidores de la serie TEL 8 cumplen los requisitos de compatibilidad electromagnética y son resistentes a interferencias externas con intensidades de campo de hasta 10 V/m (norma EN 61000-4-3). Los convertidores están fabricados en carcasas metálicas de aluminio y, lo que es más importante, con un filtro de supresión de interferencias electromagnéticas incorporado según la norma EN55022 Clase A. El rango de temperatura de funcionamiento de los convertidores de la serie TEL 8 es de –40… +80 °C. temperatura máxima carcasa hasta +105 °C. Los convertidores se pueden utilizar en equipos que funcionan a altitudes de hasta 4.000 m sobre el nivel del mar, tienen todos los certificados de seguridad necesarios y cumplen con los requisitos de la Directiva RoHS. Básico parámetros eléctricos, permitiéndote hacer preselección El convertidor requerido se da en la tabla. 1. Los datos completos de los inversores TRACO Electronic TEL 8 Series y los enlaces para obtener certificaciones están disponibles directamente en la hoja de datos.

tabla 1

Literatura

1. Rentyuk V. Convertidor CC/CC aislado de baja potencia: ¿fabricar o comprar? // Electricista. 2012. N° 12.
2. Rentyuk V. Nuevas capacidades de los convertidores DC/DC modernos: características de la toma de decisiones sobre la selección y aplicaciones típicas // Electricista. 2015. Núms. 7–9.
3. Diseño de convertidores CC-CC de múltiples salidas y bajo costo. NOTA DE APLICACIÓN, Würth Elektronik eiSos 2013-09-10.
4. Rentyuk V., Filatov V. Fuentes de alimentación con alto voltaje de ruptura de aislamiento. Seguridad ante todo // Componentes y tecnologías. 2016. N° 3.
5. Steve Roberts. LIBRO DEL CONOCIMIENTO DC/DC: Consejos prácticos para el Usuario. Segunda edición, 2015.

1. Convertidor CC/CC Serie TEL 8, 8 Watt Rev. 21 de diciembre de 2016. http://assets.tracopower.com/20170126153146/TEL8/documents/tel8-datasheet.pdf

Ya ha habido más de una docena de revisiones y mejoras al conocido kit para ensamblar una fuente de alimentación de laboratorio, pero con esta modificación logré hacerlo “independiente del transformador”, ahora no requiere voltaje alterno y funciona. ¡Excelente en voltaje directo!

Habiendo comprado este kit ( gran reseña, que fue mi inspiración, está aquí: ), leí atentamente todas las reseñas e hice todo de acuerdo con sus recomendaciones: cambié los diodos de entrada por unos Schottky, instalé electrolitos de alta calidad en todas partes.

Pero surgió el problema del transformador, tenemos a la venta uno pesado soviético, que zumba y es grande, pero pedirlo a China, debido al peso, es caro. Me senté a pensar, gracias a la reseña de Kirich, sabía que se utiliza un transformador para obtener un voltaje de suministro negativo para un amplificador operacional sin ningún problema. ¿Qué pasa si obtenemos voltaje negativo? método alternativo? Pensé y realicé un experimento suministrando energía al amplificador operacional desde otra fuente de alimentación de laboratorio. Todo funcionó perfectamente, así que pedí estos convertidores y decidí modificar radicalmente el circuito.

Todas las modificaciones son visibles en la foto; las piezas que no merecen la pena pueden no instalarse de inmediato. Estos son diodos de entrada (las 4 piezas), dos diodos 1N4148, una resistencia de 82 ohmios, un condensador de 47 uF, un diodo Zener de 5,1 V y una resistencia de 220 ohmios, reemplácelo con un puente.

En lugar del estabilizador 7824 soldamos en 7805, y en lugar de la conexión del ventilador ponemos un condensador (yo instalé 330 uF 16 voltios, puedes poner cualquier otro con parámetros similares), y al lado del condensador perforamos 4 agujeros en el que insertamos el convertidor.

Otras mejoras de reverso Los tableros se pueden ver en la foto de abajo. Además, soldé un condensador de 0,1 µF en paralelo con el de entrada, por si acaso.

Soldé cables rojos y negros en los orificios para las patas de los diodos rectificadores de entrada; ahora se les suministrará energía. En la foto, el LED tampoco está soldado, y las resistencias de ajuste están directamente en la placa y la de 0,47 ohmios también está en su lugar. En la versión final, en lugar de 0,47 ohmios pondré 0,1 ohmios, las resistencias serán de 10 vueltas y el LED estará en el panel frontal.

Pedí una fuente de alimentación de 24 voltios y 3 amperios, también de una revisión del respetado Kirich (). En cuanto a precio y peso, resulta más económico que un transformador del tamaño requerido.

A petición suya, estoy publicando un esquema de mejoras.

Espero que esta modificación te sea de utilidad y repetirla no sea difícil. Sinceramente, tu Anna :)